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리튬이온 배터리의 모든 것전기자전거를 음지에서 양지로 불러낸 원동력

전기자전거를 음지에서 양지로 불러낸 원동력  
리튬이온 배터리의 모든 것


리튬이온 배터리는 과거 납 배터리에 비해 효율이 뛰어나고 가벼워 지금의 전기자전거 시대를 가능하게 한 주인공이다. 하지만 잘 다루지 않으면 위험이 따른다. 배터리 취급주의사항을 보면 ‘가열, 분해, 혼용 금지’라는 문구가 꼭 따라다니는데 반드시 지켜야 한다. 살아있는 애완동물 다루듯 소중히 해야 안전하고 수명이 오래 간다 

 

전기자전거 전용 프레임 전문회사 일본의 아스트로

 

리튬이온 배터리의 18650셀

 

납 배터리 시대의 악몽 
전기자전거가 처음 선보인 것은 아주 오래전 이야기다. 1895년 미국에서 최초로 전기자전거 특허가 등록되었다.
하지만 가벼워야 효율적인 자전거에서 감당하기 힘든 납 배터리 무게 때문에 라이더의 관심에서 멀어져 있었다. 아주 오랜 시간이 흘러 최근에 다시 주목받는 전기자전거 시대가 열린 것은 엄청난 무게로 전기자전거의 발목을 잡았던 납 배터리를 버리고 상대적으로 새털처럼 가벼운 리튬이온 배터리의 등장으로 가능한 일이었다.

필자가 처음 전기자전거를 접한 10년 전만 해도 납 배터리 전기자전거가 주류였고, 리튬 배터리는 납 배터리보다 10배나 비싸 상상하기도 어려운 고급 옵션이었다.
납 배터리는 저렴하고 안전하지만 에너지 밀도가 낮아서 엄청난 무게 때문에 전기자전거용으로는 적합하지 않았다. 특히 오르막이 많은 한국 지형에서는 납 배터리가 방전되면 엄청난 무게(배터리와 자전거 포함 40kg 내외)로 페달링만으로는 운행할 수 없는 수준이었다. 1년만 지나면 배터리 성능 저하로 주행거리가 반토막으로 줄어들어 뜻밖의 ‘지옥의 페달링’이나 ‘끌바’의 세계로 인도해 늘 주행거리에 대한 긴장감을 가지고 타야 했다.


2018년 기준으로 전기자전거용 배터리는 대량생산이 가능한 18650셀을 조합해서 만든 리튬이온 배터리가 가격, 무게, 수명 등의 조건을 두루 만족시켜 최고의 에너지 저장장치로 자리 잡았다.


가열, 분해, 혼용 금지! 
우리가 원하던 전기자전거용 리튬이온 배터리는 스마트폰 배터리의 30~50배의 대용량이라 규정대로 사용하지 않을 경우 위험이 따른다. 이번호에서는 리튬이온 배터리에 대한  궁금증과 안전한 사용법 및 대처법을 자세히 알아본다.
필자는 모든 배터리의 사용에 기본이 되는 수칙인 ‘가열, 분해, 혼용 금지’를 리튬이온 배터리에서는 더 잘 지켜야 한다고 늘 강조한다. 편의점에서도 쉽게 구할 수 있는 가장 흔한 AA 건전지 하나를 사도 표면에 ‘가열, 분해, 혼용 금지’가 표시되어 있다. 전문가가 아닌 선무당 지식으로 잘못 다루면 대형사고로 이어질 수 있는 리튬이온 배터리라 정확히 알고 넘어가야 할 부분을 짚어본다.

 

다양한 전기자전거용 배터리 케이스. 2017년 유로바이크

 

 

 

배터리 팩의 병렬연결
왜 병렬연결을 해서 사용하는지 알아보자. 소용량 배터리는 초등학생의 힘에 비유하면 된다. 두 배의 용량을 가진 배터리를 고등학생의 힘에 비유한다면, 초등학생의 힘을 따로따로 사용하는 것보다는 모아서 고등학생의 힘으로 사용하면 더 큰 힘을 오래 사용할 수 있기 때문이다.
실제로 소용량 배터리는 표시된 용량이 다 나오지 않고 배터리 수명도 짧다. 특히 용량이 조금 남았을 때 힘이 부족해서 속도 저하가 심하고 바닥에 사용하지 못한 용량을 남기게 된다. 그에 비해 대용량 배터리는 부하에 따른 전압 하락이 적고 바닥까지 긁어서 사용할 수 있기에 효율적이다.
필자도 오래전 전기자전거 초창기에 같은 리튬이온 배터리 2팩을 병렬 연결해서 사용해 보았다. 배터리팩 전문회사에서 생산한 같은 배터리 2개를 한 충전기로 완충한 상태로 병렬연결해서 전압 차이가 없는 상태로 사용해 문제가 없었다. 그런데 지금 생각해보면 아찔하다. 나는 문제가 없었다고 나를 따라 하는 남들에게도 문제가 생기지 않는 것은 아니기 때문이다.
사람은 언제나 실수할 수 있다. 혹시나 실수로 한쪽 배터리가 충전이 안 된 상태이고 한쪽은 만충 상태로 연결된다면 전압이 높은 배터리에서 낮은 배터리 방전 단자로 감당할 수 없는 엄청난 충전전류가 흘러 사고로 이어질 수 있다.
사람은 실수할 수 있기에 독립적인 배터리팩을 병렬연결하는 방법은 절대로 권장하지 않는다. 특히 전압은 물론 용량이 다른 팩을 연결해서 한 덩어리로 만들어 사용하려는 경우 사고의 위험성이 항상 따라다닌다.
전기자전거 배터리팩은 절대로 직접 병렬연결해서 사용하면 안 된다. 다소 불편하고 원시적인 방법 같지만 하나씩 순서대로 사용하는 ‘스텝 바이 스텝’ 방법을 추천한다.



직렬연결(터보 배터리)
필자도 10년 전에 유튜브에서 처음 접했던 내용으로 일반적인 10S(36V) 배터리에 추가로 1~2셀을 붙여서 출력을 높이는 것이다. 이 방법으로 자동차 터보처럼 순간적인 속도 증가 효과를 얻을 수 있다. 허브 모터의 회전수는 모터 내부에 감겨지는 전선인 권선 수에 의해서 정해지기 때문에 최고속도를 높이려면 전압을 높이는 방법뿐이다. 전압이 낮을 때 연결하면 전체 전압을 높여서 배터리 잔량을 바닥까지 긁어서 쓰는 방법으로도 일부 마니아들이 활용하고 있다.
그런데 이 방법도 배터리 취급주의사항인 ‘가열, 분해, 혼용’을 말라는 경고 중 ‘혼용’에 속한다. 별도로 직렬 배터리를 충전하는 시스템을 갖추어야 하고 만에 하나 사용자의 실수로 연결이 잘못되면 사고로 이어질 수 있다.
특히 리튬이온 배터리는 바닥까지 긁어서 알뜰하게 사용하는 것은 셀의 건강한 수명을 단축시킬 수 있어 기성 전기자전거를 타는 일반인에게는 추천하지 않는다.



올바른 충전법
리튬이온 배터리는 메모리 효과가 없다. 사용량과 관계없이 사용 후 바로 충전하는 것이 좋다. 자주 충전하면 충전횟수가 정해져 있어서 수명이 짧아지는 것으로 오해하는 사용자도 있다. 제조사에서 이야기하는 충전횟수는 완전충전 기준이다. 50% 사용하고 충전한 횟수는 1회가 아니라 0.5회로 계산해야 한다.
바닥까지 사용 후 깜빡 잊고 충전하지 않고 방치하면 셀 전체가 망가지게 된다. 급속충전이 어렵기 때문에 갑자기 장거리 주행이 생길 수 있는 시즌 중에는 사용 후 항상 풀충전 상태로 대기시키는 것이 좋다.
리튬이온 배터리를 이용하는 농기구도 가을에 사용하고 충전하지 않고 방치하면 배터리가 망가지고, 반대로 겨우내 충전기를 꽂아둬 사고로 이어지기도 한다.

 

다양한 전기자전거용 배터리 케이스. 2017년 유로바이크

 

삼각 프레임이 없는 미니벨로는 시트튜브 부분에 배터리 거치를 많이 한다

 

전기자전거는 배터리 용량이 클수록 라이더의 정신건강에 좋다

 

배터리를 생산하는 일본 파나소닉에서 아주 오래전에 전기자전거를 내놓았다

 

전기자전거의 신세계를 경험하는 라이더의 표정은 늘 미소가 함께 한다

 

 

리튬이온 배터리 충전기
리튬이온 배터리가 가장 위험할 때는 완충되었을 때다. 간혹 생기는 사고는 충전 중에 많이 발생한다.
배터리셀과 BMS(Battery Management System 직렬, 병렬로 연결된 형태에서 전체적으로 배터리를 관리해주는 회로) 스펙은 적정 전압(V)과 전류(A)가 정해져 있어 규정치보다 높은 전압과 전류로 충전하면 BMS 회로 고장으로 과충전된 셀에 의해 발화사고가 날 수 있다.
배터리 제조사에서 제시한 BMS 스펙과 작동조건에 맞는 검증된 충전기를 사용해야 한다. 빨리 충전되면 좋지만, 2018년 기준으로 2시간(0.5C) 이상의 충전시간이 필요하다. 표준충전은 약 5시간(0.2C)을 권장하고 있다. 하지만 충전시간 문제는 시간이 지나면 점점 줄어들게 될 것이다. 오래지 않아서 용어조차 ‘충전시간’이 아니라 ‘충전분’으로 바뀔 수도 있다.



배터리 용량 선택법 
필자는 전기자전거 상담 일을 오래 해왔다. 가장 고민되는 것이 배터리 용량문제였다. 필자는 조금 넉넉한 배터리 용량을 추천하지만, 지나친 넉넉함을 추구하는 경우 오히려 말리는 입장이다. 전기자전거는 스쿠터가 아니라 열심히 페달을 밟는 재미도 같이하는 자전거의 한 분야이기 때문이다.
처음 전기자전거를 선택하고 나면 신세계에 한번 놀란다. 그리고 나이, 체력과 상관없이 바로 장거리 라이딩을 꿈꾸며 대용량 배터리를 갈망하게 된다.
전기자전거는 동네 마실용으로도 가능하고 국토종주용으로도 가능하다. 필자는 전기자전거 배터리 용량 선택을 사냥에 비교한다. 참새를 잡을 것인지 멧돼지를 잡을지 목표물에 따라서 총알을 바꾸듯이 용도에 맞는 배터리를 선택하면 된다.
필자는 전기자전거용 배터리는 500Wh(36V 14.5Ah) 내외를 추천한다. 이 정도 용량이면 일반적인 전기자전거에서 페달링만 충분히 지원하면 80~120km를 주행할 수 있다.
장거리 라이딩을 위해 무작정 배터리 용량을 늘리면 단거리 라이딩에서는 불필요하게 늘어난 무게를 감수해야 한다. 추가 배터리를 이용해서 주행거리에 따라 배터리 휴대방법을 달리하는 것이 가장 현실적인 선택법이다.



자전거용 배터리를 이용한 외부전기장치 사용
전기자전거용 배터리는 200~500Wh의 용량이라 잘 활용하면 다양한 용도로 사용 가능하다. 하지만, 필자는 전기자전거용 배터리는 자전거에 장착한 상태에서는 자전거 구동용으로만 사용하기를 권장한다. 실제로 필자 주변에 전기자전거용 배터리에 외부 전기장치를 연결해서 사용하다 문제가 생겨 화재사고를 낸 경우도 있었다. 대용량 리튬이온 배터리를 다룰 때는 생길 수 있는 모든 경우의 수를 생각해야 한다.


리튬이온 배터리 보관법
배터리는 살아 있는 생명체처럼 다루어야 한다. 전기자전거를 타는 라이더들은 배터리를 ‘박대리’ 님으로 부른다. 유난히 추위를 많이 타는 리튬이온 배터리의 특성으로 한겨울에도 베란다에 내버려 두지 않고 분리해서 거실(실온 20℃)에 보관하는 것이 좋다. 리튬이온 배터리는 관심을 가지고 애완동물 다루듯 소중히 해야 안전하게 오래 사용할 수 있다.


올바른 배터리 사용법
리튬이온 배터리는 과충전, 과방전, 과부하, 과열, 과냉 등 ‘과’ 자가 들어가면 좋지 않다. 살살, 적당히, 조심스럽게 다루는 것이 중요하다. 과충전과 과방전을 피하고 순간 소모전력이 늘어나는 과부하를 주지 않으며 살아 있는 생명체처럼 다루면 배터리의 건강과 수명이 늘어나게 된다.
리튬이온 배터리의 건강한 장수 비결은 ‘여유’에서 나온다고 본다. 물론 사용 용도에 맞는 정품 셀로 제대로 제작되고, 제값 주고 산 정품 배터리의 경우이다. 태생이 빈약(저방전 셀)하거나 루트를 알 수 없는 셀(불량품)로 어둠의 경로(무허가업체)로 만들어진 ‘묻지마 배터리’는 아무리 조심하고 잘 관리해도 소용없는 경우가 많다.



안전한 배터리 거치법
전기자전거 전체에서 배터리 무게는 상당히 많은 부분을 차지하게 된다. 따라서 배터리를 안전하고 견고하게 거치하는 방법은 매우 중요하다. 무게중심과 안전성, 편의성을 따져보면 삼각 프레임 속이나 주변에 있어야 좋다.
배터리가 자전거의 무게중심에서 멀어지면 주행 안정성이 떨어지고 체감 무게가 늘어나게 된다. 충격이나 사고 시 배터리 안전도 삼각 프레임 속이 가장 안전한 장소다. 많은 전기자전거 제조업체들도 배터리를 삼각 프레임 속이나 삼각 프레임 중에 한 개를 늘려서 그 속에 삽입하는 방식을 선택하고 있다.


전기자전거 배터리 거치는 다운튜브가 대세다. 무게중심을 낮추고 배터리를 숨기기에도 가장 좋은 위치다

 

 
배터리의 이상 신호 시 대처법
리튬이온 배터리 사용자가 할 수 있는 간단한 점검법과 조치법을 알아본다.

❶ 완충 전압이 제대로 나오는지 점검
리튬이온 배터리는 완충 전압이 셀당 4.2V로 10셀이 직렬 연결된 36V 배터리는 완충 기준 41.5V 이상이 나와야 한다. 충전기로 충전하는 리튬이온 배터리는 물리학 법칙에 따라 충전기 전압 이상으로는 충전되기 어렵다. 간혹 충전기가 고장 나서 전압이 낮아지면 배터리가 완충되지 않는 경우가 있어서 배터리 점검 전에 충전기 점검부터 먼저 해야 한다.

❷ 완충 전압이 나와도 용량이 제대로 나오지 않는 배터리
충전만료 후 하루 정도 방치해서 완충 전압에서 전압 하락폭이 0.2V 내외인가 확인해야 한다. 전압하락이 심하면 셀 벨런싱이 틀어져서 BMS에서 높이 올라간 셀의 전압을 태워 없애는 구조가 되어 전체전압이 떨어지는 것이다. 이 경우 제작사나 판매사로 보내 AS를 받아야 한다.

❸ 완충 전압이 나오지 않는 배터리
셀이나 BMS 고장이 원인으로 셀의 전압이 지나치게 틀어지면 먼저 한계 전압에 도착한 셀들이 있으면 충전이 끝난다. 이 경우 전체 전압이 완충 전압에 1V 이상 낮은 경우도 생긴다. 2년 이상 사용한 배터리는 과도한 수리비를 지출해도 남은 수명이 길지 않기에 폐기 절차를 준비하는 것이 좋고, AS기간 내라면 제작사나 판매사로 AS를 보내야 한다.


❹ 충·방전 시 과도한 열이 생긴다. 
배터리는 충전 중에 어느 정도 열이 발생한다. 특히 여름철에는 기온이 높아 식혀지지 않아 충전기와 배터리가 정상이라도 열이 많이 느껴질 수 있다. 이때는 에어컨이나 선풍기를 틀어놓고 충전하는 것이 좋다. 50도 내외도 큰 문제는 아니지만 평소보다 너무 뜨거울 때는 충전을 중지하고 점검을 받아야 한다.

❺ ‌36V 리튬이온 배터리의 사용전압은 32~42V이다. 0V까지 사용하는 것이 아니다.
겨울철도 아닌데 평소보다 주행거리가 짧아지고 높은 전압에서 커팅이 되면 점검을 받아봐야 한다. 전압이 틀어져서 낮은 한 셀이 제한 전압으로 떨어지면 BMS에서 전체 방전을 중지시킨다. 배터리 팩 전압이 37V 이하로 50% 아래로 떨어진 경우 지속적인 과부하로 사용하면 배터리 잔량이 30% 이상 남아 있어도 저전압 커팅(32V 내외)에 들어갈 수 있다. 반 이상 사용한 배터리는 과부하가 걸리지 않게 살살 사용해야 남은 잔량을 알뜰하게 사용할 수 있다.
초보자들은 반 이상 사용한 배터리에 지속적인 과부하로 컷이 들어간 것을 두고 점검을 의뢰하는 경우가 많은데, 상당수는 정상이다. 


❻ 점검 결과 이상이 생긴 리튬이온 배터리를 직접 수리한다?
결론부터 말하자면 리튬이온 배터리는 전문가가 아니면 손대지 말아야 한다. 전문가라도 리튬이온 배터리 수리는 운이 따르지 않으면 생각처럼 간단하지 않다. 대부분의 배터리팩은 소비자가 케이스를 열게 되면 AS 지원을 거부당하기도 한다.
필자도 가끔 소비자들의 배터리팩을 열어서 진단과 수리도 하고 있지만, 필자가 하는 것은 대개는 수리가 아니라 진단 수준이다. 고장 난 배터리를 제작사로 AS를 보낼지, 폐기해야 할지 진단을 위해 케이스를 개봉한다. 가끔 행운처럼 단자결함, 단선이나 스위치 불량 등 쉽게 답을 찾아 해결하는 경우도 있다.

2년 이상 사용된 배터리에서 주행거리가 짧아지고 완충 전압이 41.5V 이하로 전체 전압이 떨어지며, 셀의 열화와 셀 간 전압 편차가 생긴 경우에는 수리보다는 새 제품 구매를 권장한다. 어차피 리튬이온 배터리의 정상사용 범위가 3년 정도여서 무조건 수리보다는 경제성을 따져봐야 한다.
리튬이온 배터리는 각 셀 전압을 체크해서 전압이 낮은 셀만 교환하면 수리가 되는 것이 아니다. 반드시 고장의 원인을 찾아서 근본적인 문제를 해결해야 한다. 전문가라도 장비가 없다면 쉬운 일이 아니다.

✽주의 : ‌리튬이온 배터리의 화재는 일반 소화기나 물로는 제어가 어렵다. 불씨가 튀어 2차 화재로 이어지지 않게 배터리를 덮어서 상황이 끝나기를 기다리는 것이 방법이다.
 
스테인리스 전기자전거에 가죽 배터리 가방이 잘 어울린다

 

싱가포르 발명가가 만든 전기리컴번트. 후륜이 전동이고 전륜은 다이렉트 페달 구동방식이다. 의자 뒤에 물병 모양의 배터리가 달려 있다

 

프레임 속에 대용량 배터리를 디자인한 바팡 맥스 드라이브 모터를 사용한 전기자전거

 

 
리튬이온 배터리의 비행기 운송방법
전기자전거를 타게 되면 거리에 대한 두려움을 떨쳐 버릴 수 있어서 장거리 여행을 꿈꾸게 된다. 해외로 전기자전거 여행을 준비한다면 가장 걱정거리가 배터리를 어떻게 가지고 가는가이다.
전 세계 모든 항공사에서 거의 같은 기준으로 리튬이온 배터리 용량이 160Wh 기준을 초과하면 기내반입과 위탁수화물로도 운송이 허용되지 않는다. 위탁수화물에 오히려 더 엄격해서 용량이 작은 보조배터리 하나라도 엑스레이로 발견되면 화주를 찾아 반드시 제거해야 비행기 화물칸에 실릴 수 있다.
절대로 리튬이온 배터리 홀로 화물칸에 실어주지 않는 이유가 있다. 작은 리튬이온 배터리라도 발화되면 불씨가 주변에 옮겨 붙을 수 있기 때문이다. 본인은 물론 타인의 생명이 걸린 문제여서 쉽게 생각하면 안 된다.


그럼 어떻게 리튬이온 배터리를 비행기로 가져가나? 리튬이온 팩을 160Wh 이하로 나눠서 운송하고 다시 결합하거나 낱셀을 가져가서 현지에서 다시 조립하는 방법 등 다양한 아이디어가 있지만, 노트북 배터리 이상의 리튬이온 배터리는 개인휴대품으로 비행기에 반입하는 생각 자체를 버리는 것이 마음 편하다.
배터리팩 제작사에서 발행하는 MSDS(Material Safety Data Sheet, 물질 안전 보건 자료)를 첨부해서 상상 이상의 배송비를 내고 특송회사를 통해 배터리를 먼저 보내놓고 현지에서 찾아 사용하는 방법이나 현지에서 배터리를 대여하거나 전기자전거를 사는 방법뿐이다.


지금까지 리튬이온 배터리를 안전하게 사용하기 위한 여러 가지를 알아보았다. 2018년 기준 리튬이온 배터리는 현대인의 생활 속에서 멀리하고는 살 수 없는 가볍고 친밀한 존재가 되었다. 주변을 둘러보면 곳곳에서 리튬이온 배터리를 쉽게 볼 수 있다.

리튬이온 배터리는 제대로 알고 사용하면 현시점에서 전기자전거에 가장 효율적이고 가벼운 배터리이지만, 잘못 사용하거나 실수하게 되면 위험한 존재로 우리의 생명을 위협할 수도 있다. 
언젠가는 더 안전하고 가볍고 충전도 빠른 새로운 배터리가 등장하면 지금까지 했던 이야기는 무효가 되겠지만, 그때도 역시 ‘가열, 분해, 혼용’을 하지 말라는 문구는 따라다닐 것이다.
리튬이온 배터리는 살아 있는 애완동물 다루듯 특성을 알고 소중히 할수록 오래오래 주인에게 충성할 것이다. 
 
 
후륜 허브 모터 방식의 전동 3륜 리컴번트

 

 
 
 

 

 

예민수 객원기자  yesu65@naver.com

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기사 댓글 1
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  • 이종학 2018-04-09 18:29:43

    전기자전거 이탈젯을 타고있어요 밧데리에 대한 상세한 안내에 감사합니다.   삭제

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